CN104677807A - 一种大尺寸土样真三轴渗流特性与强度试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大尺寸土样真三轴渗流特性与强度试验装置，它包含机架，该机架由相互平行设置的试验架底座(28)，刚性试验加压平台(23)和刚性加压反力架横梁(22)组成，其中，所述的试验架底座(28)与刚性试验加压平台(23)之间通过底座立柱(27)连接固定，所述的刚性试验加压平台(23)与刚性加压反力架横梁(22)之间通过分别位于其四边处的四根刚性加压反力架立柱(21)连接固定，所述的刚性试验加压平台(23)上设置有压力室a。本发明能很好的研究基坑开挖卸荷导致的土体变形和强度变化问题，特别适用于深部土体的卸围压试验。
Description
技术领域
本发明涉及土木、水利工程领域，具体涉及一种大尺寸土样真三轴渗流特性与强度试验装置。
背景技术
随着大型土木和水利工程的建设，工程体受力影响范围逐渐涉及到深厚表土地段，且受力状态也越加复杂，因而工程在修建过程中的稳定性，以及后期地下水位变化引起地基沉降变形和渗流导致土体强度变化等因素都极易引发工程问题。以及夏季降雨导致山区发生滑坡和泥石流等自然灾害，摧毁城镇、村庄、阻断交通，造成人民财产损失和人员丧亡。这些都是设计和勘察中没有科学合理估计和获取土体的渗流特性和土体强度的变化规律，而含水率和应力状态则是影响土体变形和强度的重要因素。
目前，土体强度测定试验有假三轴和真三轴试验，但是存在以下缺点：假三轴试验无法测定三向不等压力下土体的强度，与实际工程土体受力不否；真三轴试验是采用两对柔性侧向加压水囊施加不等的侧向压力，容易使土样产生畸变导致试验结果偏差较大，且由于侧向加压水囊本身限制（为了尽可能小的影响试验结果侧向加压橡胶囊很薄，因而侧向压力不能太大；当橡胶囊较厚时，引起橡胶囊膨胀的力已不可忽略，会引入较大误差。）使得试验应力水平较低，无法进行深部土体高应力状态的变形和强度特性试验，且研究应力状态对土体渗流特性的相关试验装置很少，而且试验土样尺寸都较小，边界效应的影响较大，不能真实反应土体强度和渗流特性。因而开发研制不使土样发生畸变且能进行较高应力水平的大尺寸土样真三轴渗流特性和强度试验装置很有必要，可精确测试深部土体和复杂应力状态下土体的强度和渗流特性，为设计和施工提供科学数据，确保工程安全稳定。
发明内容
本发明目的是提供一种大尺寸土样真三轴渗流特性与强度试验装置，它能有效地解决背景技术中所存在的问题。
为了解决背景技术中所存在的问题，它包含机架，该机架由相互平行设置的试验架底座28，刚性试验加压平台23和刚性加压反力架横梁22组成，其中，所述的试验架底座28与刚性试验加压平台23之间通过底座立柱27连接固定，所述的刚性试验加压平台23与刚性加压反力架横梁22之间通过分别位于其四边处的四根刚性加压反力架立柱21连接固定，所述的刚性试验加压平台23上设置有压力室a；
所述的压力室a包含土压力室y向固定侧板4和与之相邻的土压力室x向固定侧板5，所述的土压力室y向固定侧板4和土压力室x向固定侧板5分别通过侧板支撑20固定在刚性加压反力架立柱21上，所述土压力室y向固定侧板4相对的一侧设置有y向侧向可缩加压板3，所述土压力室x向固定侧板5相对的一侧设置有x向侧向可缩加压板2，所述压力室a的上方设置有顶部加压板6，其下方设置有底部透水石7，所述压力室a上方的一侧设置有输水装置；
所述的y向侧向可缩加压板3通过y向水平加压板驱动器31与y向加压驱动底座12相连，所述的加压驱动底座12固定在刚性加压反力架立柱21上，所述的x向侧向可缩加压板2通过x向水平加压板驱动器9与x向加压驱动底座34相连，所述x向加压驱动底座34固定在刚性加压反力架立柱21上，所述的顶部加压板6通过竖向加压板驱动器13与竖向加压驱动底座35相连，所述的竖向加压驱动底座35固定在刚性加压反力架横梁22上；
所述的y向加压驱动底座12与y向侧向可缩加压板3之间安装有y向变形测试仪33，该y向变形测试仪33与y向加压驱动底座12相连，所述的x向加压驱动底座34与x向侧向可缩加压板2之间安装有x向变形测试仪11，该x向变形测试仪11与x向加压驱动底座34相连，所述的顶部加压板6与竖向加压驱动底座35之间安装有竖向变形测试仪14，该竖向变形测试仪14与竖向加压驱动底座35相连，所述的y向水平加压板驱动器31与y向加压驱动底座12之间连接有y向压力传感仪32，所述的x向水平加压板驱动器9与x向加压驱动底座34之间连接有x向压力传感仪10，所述的竖向加压板驱动器13与竖向加压驱动底座35之间连接有竖向压力传感仪15；
所述的底部透水石7嵌入在刚性试验加压平台23中，其底部设置有一根与之相通的渗流通道24，该渗流通道24的另一端穿出刚性试验加压平台23经过出水节流阀25与渗流监测装置26相连；
所述的x向压力传感仪10，y向压力传感仪32，竖向压力传感仪15和渗流监测装置26分别通过数据采集线29与数据采集系统30相连。
所述顶部加压板6的下底面嵌入安装有与底部透水石7相对应的顶部透水石8。
所述的输水装置包含安装在侧板支撑20上顶面的压力水缸19，该压力水缸19的一端安装有与其内部相连通的输水管路16，所述输水管路16的另一端穿过顶部加压板6与顶部透水石8连通，所述的输水管路16上安装有输水节流阀17和水压力表18。
本发明的有益效果是：
1、能够实现大尺寸土样（150mm×150mm×150mm）真三轴试验，减小边界效应影响，使试验结果更加符合实际；
2、采用可缩侧向加压板避免了真三轴三向加压的相互干扰，克服了原有加压室土样角部加压板相互影响问题，实现了正真的三轴自由无干扰加压；
3、能够实现大尺寸土样的真三轴不同含水率、排水与不排水土样的变形和强度试验，且能够实现复杂应力状态下的土体渗流特性试验；
4、能够实现深部土体高应力大尺寸土样真三轴的渗流和变形与强度试验，试验应力水平提高，研究范围更加广泛；
5、能够实现大尺寸土样的不同侧压组合和等比例加载试验，能完成复杂应力路径下的大尺寸土样试验；
6、能够实现大尺寸土样固结后的侧向卸围压试验，能很好的研究基坑开挖卸荷导致的土体变形和强度变化问题，特别适用于深部土体的卸围压试验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的竖向结构示意图；
图2是图1中a-a向剖视图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
参看图1-2，它包含机架，该机架由相互平行设置的试验架底座28，刚性试验加压平台23和刚性加压反力架横梁22组成，其中，所述的试验架底座28与刚性试验加压平台23之间通过底座立柱27连接固定，所述的刚性试验加压平台23与刚性加压反力架横梁22之间通过分别位于其四边处的四根刚性加压反力架立柱21连接固定，所述的刚性试验加压平台23上设置有压力室a；
所述的压力室a包含土压力室y向固定侧板4和与之相邻的土压力室x向固定侧板5，所述的土压力室y向固定侧板4和土压力室x向固定侧板5分别通过侧板支撑20固定在刚性加压反力架立柱21上，所述土压力室y向固定侧板4相对的一侧设置有y向侧向可缩加压板3，所述土压力室x向固定侧板5相对的一侧设置有x向侧向可缩加压板2，所述压力室a的上方设置有顶部加压板6，其下方设置有底部透水石7，所述压力室a上方的一侧设置有输水装置；
所述的y向侧向可缩加压板3通过y向水平加压板驱动器31与y向加压驱动底座12相连，所述的加压驱动底座12固定在刚性加压反力架立柱21上，所述的x向侧向可缩加压板2通过x向水平加压板驱动器9与x向加压驱动底座34相连，所述x向加压驱动底座34固定在刚性加压反力架立柱21上，所述的顶部加压板6通过竖向加压板驱动器13与竖向加压驱动底座35相连，所述的竖向加压驱动底座35固定在刚性加压反力架横梁22上；
所述的y向加压驱动底座12与y向侧向可缩加压板3之间安装有y向变形测试仪33，该y向变形测试仪33与y向加压驱动底座12相连，所述的x向加压驱动底座34与x向侧向可缩加压板2之间安装有x向变形测试仪11，该x向变形测试仪11与x向加压驱动底座34相连，所述的顶部加压板6与竖向加压驱动底座35之间安装有竖向变形测试仪14，该竖向变形测试仪14与竖向加压驱动底座35相连，所述的y向水平加压板驱动器31与y向加压驱动底座12之间连接有y向压力传感仪32，所述的x向水平加压板驱动器9与x向加压驱动底座34之间连接有x向压力传感仪10，所述的竖向加压板驱动器13与竖向加压驱动底座35之间连接有竖向压力传感仪15；
所述的底部透水石7嵌入在刚性试验加压平台23中，其底部设置有一根与之相通的渗流通道24，该渗流通道24的另一端穿出刚性试验加压平台23经过出水节流阀25与渗流监测装置26相连；
所述的x向压力传感仪10，y向压力传感仪32，竖向压力传感仪15和渗流监测装置26分别通过数据采集线29与数据采集系统30相连。
所述顶部加压板6的下底面嵌入安装有与底部透水石7相对应的顶部透水石8。
所述的输水装置包含安装在侧板支撑20上顶面的压力水缸19，该压力水缸19的一端安装有与其内部相连通的输水管路16，所述输水管路16的另一端穿过顶部加压板6与顶部透水石8连通，所述的输水管路16上安装有输水节流阀17和水压力表18。
实施例2
进行大尺寸土样真三轴强度试验时，将土样1套入橡胶模中（排水和渗流试验将土样放入下部开口的橡胶膜中，不排水试验将土样放入下部封闭的橡胶膜中），然后放在底部透水石7上，启动x向水平加压板驱动器9和y向水平加压板驱动器31分别驱动x向侧向可缩加压板2和y向侧向可缩加压板3与试样1的侧表面密切接触，接着启动竖向加压驱动器13使顶部加压板6与土样1的上表面接触，并调整x向变形测试仪11、y向变形测试仪33和竖向变形测试仪14使其与各个加压板良好接触。
实施例3
当进行大尺寸土样的不同含水率等围压三轴试验时，首先同时驱动x向水平加压板驱动器9、y向水平加压板驱动器31和竖向加压驱动器13使三向压力都达到同一值，使土样1在静水压力下完成固结。固结完成开启竖向加压器13驱动顶部加压板6直至土样1达到破坏条件，整个过程土样1的变形和应力都通过数据采集系统30记录。
实施例4
当进行大尺寸土样的不同含水率真三轴试验时，首先同时驱动x向水平加压板驱动器9、y向水平加压板驱动器31和竖向加压驱动器13使三向压力都达到同一值，然后驱动y向水平加压板驱动器31和竖向加压驱动器13使其达到中间应力，使土样完成固结，固结完成开启竖向加压驱动器13驱动顶部加压板6直至土样1达到破坏条件，整个过程土样的变形和应力都通过数据采集系统30记录。
实施例5
当进行大尺寸土样的不同含水率等比例加载真三轴试验时，首先同时驱动x向水平加压板驱动器9、y向水平加压板驱动器31和竖向加压驱动器13使三向压力都达到同一值，使土样在静水压力下完成固结。数据采集控制系统30中设定加载比例，当固结完成后，同时开启y向水平加压板驱动器31和竖向加压驱动器13，使其按设置的加载比例驱动y向侧向可缩加压板3和顶部加压板6直至土样1达到破坏条件，整个过程土样的变形和应力都通过数据采集系统30记录。
实施例6
当进行大尺寸土样的真三轴渗流试验时，如进行三向等压应力状态渗流试验，首先同时驱动x向水平加压板驱动器9、y向水平加压板驱动器31和竖向加压驱动器13使三向压力都达到同一值并完成固结，使水压力达到设定值打开输水节流阀17，水经由输水管路16和顶部透水石8进入土样1，完成渗流后经底部透水石7和渗流通道24进入渗流监测装置26，最后数据由数据采集系统30采集；如进行三向不等压应力状态渗流试验时，首先同时驱动x向水平加压板驱动器9、y向水平加压板驱动器31和竖向加压驱动器13使三向压力都达到同一值，然后驱动y向水平加压板驱动器31和竖向加压驱动器13使其达到中间应力值，最后驱动竖向加压驱动器13使其达到最大应力值，并完成固结，调整水压到预定值开启输水节流阀17完成渗流试验；如进行同一应力状态不同水压力对渗流特性的影响，先加载到同一应力状态固结，然后改变水压重新试验；如进行同一水压下不同应力状态对渗流的影响研究，设定水压不变，改变固结压力状态进行渗流试验。
实施例7
进行大尺寸土样的真三轴卸围压试验时，首先通过驱动x向水平加压板驱动器9、y向水平加压板驱动器31和竖向加压驱动器13达到初始应力状态并完成固结，接着驱动竖向加压驱动器13使竖向应力达到土样破坏应力的70%左右，然后开始x向或y向卸围压，直至土样达到破坏条件。整个过程土样的变形和应力都通过数据采集系统30记录。
实施例8
进行深部土体高应力状态的真三轴试验，本实施例采用侧向可缩加压板，大大提高了侧向力和比例加载应力水平，能进行土样高应力试验，通过驱动x向和y向侧向可缩加压板和竖向加压驱动器13，完成深部土体高应力状态的固结和真三轴渗流与强度试验。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种大尺寸土样真三轴渗流特性与强度试验装置，其特征在于它包含机架，该机架由相互平行设置的试验架底座(28)，刚性试验加压平台(23)和刚性加压反力架横梁(22)组成，其中，所述的试验架底座(28)与刚性试验加压平台(23)之间通过底座立柱(27)连接固定，所述的刚性试验加压平台(23)与刚性加压反力架横梁(22)之间通过分别位于其四边处的四根刚性加压反力架立柱(21)连接固定，所述的刚性试验加压平台(23)上设置有压力室a；
所述的压力室a包含土压力室y向固定侧板(4)和与之相邻的土压力室x向固定侧板(5)，所述的土压力室y向固定侧板(4)和土压力室x向固定侧板(5)分别通过侧板支撑(20)固定在刚性加压反力架立柱(21)上，所述土压力室y向固定侧板(4)相对的一侧设置有y向侧向可缩加压板(3)，所述土压力室x向固定侧板(5)相对的一侧设置有x向侧向可缩加压板(2)，所述压力室a的上方设置有顶部加压板(6)，其下方设置有底部透水石(7)，所述压力室a上方的一侧设置有输水装置；
所述的y向侧向可缩加压板(3)通过y向水平加压板驱动器(31)与y向加压驱动底座(12)相连，所述的加压驱动底座(12)固定在刚性加压反力架立柱(21)上，所述的x向侧向可缩加压板(2)通过x向水平加压板驱动器(9)与x向加压驱动底座(34)相连，所述x向加压驱动底座(34)固定在刚性加压反力架立柱(21)上，所述的顶部加压板(6)通过竖向加压板驱动器(13)与竖向加压驱动底座(35)相连，所述的竖向加压驱动底座(35)固定在刚性加压反力架横梁(22)上；
所述的y向加压驱动底座(12)与y向侧向可缩加压板(3)之间安装有y向变形测试仪(33)，该y向变形测试仪(33)与y向加压驱动底座(12)相连，所述的x向加压驱动底座(34)与x向侧向可缩加压板(2)之间安装有x向变形测试仪(11)，该x向变形测试仪(11)与x向加压驱动底座(34)相连，所述的顶部加压板(6)与竖向加压驱动底座(35)之间安装有竖向变形测试仪(14)，该竖向变形测试仪(14)与竖向加压驱动底座(35)相连，所述的y向水平加压板驱动器31与y向加压驱动底座(12之间连接有y向压力传感仪(32)，所述的x向水平加压板驱动器(9)与x向加压驱动底座(34)之间连接有x向压力传感仪(10)，所述的竖向加压板驱动器(13)与竖向加压驱动底座(35)之间连接有竖向压力传感仪(15)；
所述的底部透水石(7)嵌入在刚性试验加压平台(23)中，其底部设置有一根与之相通的渗流通道(24)，该渗流通道(24)的另一端穿出刚性试验加压平台(23)经过出水节流阀(25)与渗流监测装置(26)相连；
所述的x向压力传感仪(10)，y向压力传感仪(32)，竖向压力传感仪(15)和渗流监测装置(26)分别通过数据采集线(29)与数据采集系统(30)相连。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸土样真三轴渗流特性与强度试验装置，其特征在于所述顶部加压板(6)的下底面嵌入安装有与底部透水石(7)相对应的顶部透水石(8)。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸土样真三轴渗流特性与强度试验装置，其特征在于所述的输水装置包含安装在侧板支撑(20)上顶面的压力水缸(19)，该压力水缸(19)的一端安装有与其内部相连通的输水管路(16)，所述输水管路(16)的另一端穿过顶部加压板(6)与顶部透水石(8)连通，所述的输水管路(16)上安装有输水节流阀(17)和水压力表(18)。
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸土样真三轴渗流特性与强度试验装置，其特征在于所述的采用x向侧向可缩加压板2和y向侧向可缩加压板4，可实现大尺寸土样的三向高应力无干扰自由加载。
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